爲何微觀粒子都在自旋？假如不自旋會發生怎麼樣？

自旋，是微觀粒子的一種“超能力”。

對它的具體成因，我們其實並不是很清楚，但目前已知的很多物理屬性都與自旋密切相關，比如能量，比如磁性。

自旋與角動量

早在1925年，有人就提出每一個基本粒子就像一個“旋轉的陀螺”。

這種描述雖然形象，但是如果你只是停留在字面上的理解，難免會有誤差。因爲宏觀物質的旋轉，一般不是逆時針就是順時針，而且360度爲一週，而微觀粒子自旋作爲一種量子效應，不能簡單地如此來判斷。簡單來說，它可以同時既逆又順，可以是180度，也可以說720度爲一週。

另外，基本粒子不僅會自旋，而且它們的旋轉速度還相當的快，就相當於一個冰上芭蕾舞演員，當她旋轉的時候，身體收縮地越緊，轉速就越快。

爲了描述這種特性，物理學上引入了一個專有名詞叫做角動量。

角動量與線性動量一樣，可以描述一個物體的能量狀態。一個物體動量越大，就越難改變其運動狀態，也預示着它的能量越大。

角動量是針對於旋轉的線性動量來說的，因爲旋轉不僅可以繞自身軸進行，還可以繞着一個外部遠距離的軸進行，就像月亮圍着地球轉一樣。而微粒子角動量可簡單理解爲以其軸心而旋轉（當然這是個比喻，實際是描述空間旋轉的對稱性），同時，角動量有特定值。

我們熟悉的質子、電子這些粒子都具有內稟角動量。其最小值爲普朗克常數h除以2π（h=6.62607015×10^（-34） J·s；圓周率π=3.14）。

光子的內稟角動量是h/2π，而玻色子的內稟角動量都是h/2π的整數倍；電子、質子、中子這些費米子，內稟角動量都是h/2π的1/2，或其奇數倍。

因爲2π是一個數值，所以h/2π作爲角動量的量度，普朗克常數h就是角動量的單位。所以說，角動量本身就代表着一種能量。

普朗克常數h的意義

普朗克常數h，本來只是用來解釋熱輻射的光譜能量曲線，可以現在它卻成了一個宇宙基礎常數。

也正是由於普朗克常數足夠的小，宇宙纔會如此穩定。如果這個常數再大一點的話，或許我們的宏觀世界，也會表現出微觀世界的各種奇異的量子現象。

所以說，對於一些腦洞比較大的科幻迷來說，想要在宏觀世界裡，呈現一些微觀世界纔可能出現的運動狀態，其實很簡單，只要能把普朗克常數變大就行了。

但這在現實世界中，是無法做到的，因爲作爲一個常數，它的一大基本特質就是必須滿足恆定不變。

自旋與磁性。

早在19世紀20年代，人們就意識到了移動的電荷能產生電流，進而產生磁場。一個帶電的小球，圍繞着一個穿過圓心的軸，旋轉的話就能產生電流，進而產生磁場。

而早期的內稟角動量理論的提出，實際上是爲了解釋在實驗室中觀察到的原子具有內磁場的現象。也就是說，我們是先觀察到了磁場，再提出了基本粒子具有內稟角動量。

1932年，奧托·斯托恩和瓦爾特·格拉赫在實驗室裡，測試到了原子束與外部磁場的相互作用關係，從此發現了原子具有內在磁場。進而發現電子也具有內部磁場，這個磁場具有兩個數值，相當於電子同時包含南北兩極一樣。

這也能解釋，爲什麼一些元素能夠吸收光或者反射光，正因爲原子的內部存在着磁場，才能與是電磁波的光發生各種交互關係。

只不過最開始，人們認爲這個磁場，是由於帶負電的電子圍繞帶正電的原子核旋轉造成的。而後來的一系列更加嚴謹的實驗證明了這個磁場，和電子圍繞原子核旋轉沒有任何關係，而是由於電子自身的原因造成的。

至此，科學界一直認爲電子的內在磁場與它們的自旋有關。

但當時的人們，對於電子的運動，還處於經典物理的認知之下。在這種認知前提下，如果電子要形成測量到的內在磁場大小，那它的自轉速度必須是超過光速的。

如果是這樣，根據愛因斯坦的質能方程：E=mc²，計算的話，電子的質量將會大於質子的質量，這顯然是不合理的。

而真正揭示電子自旋現象本質的人是保羅·狄拉克。

1928年，在全面考慮到電子高速的運動實質後，狄拉克將描述高速運動的狹義相對論與薛定諤的波函數聯繫了起來，開創性地提出了描述電子運動狀態的狄拉克方程。同時也爲創建量子電動力學打下了堅實的基礎。

在求解狄拉克方程時，人們發現電子有一個額外的“量子數”，其剛好對應着（1/2）h/2π的內稟角動量。這個“量子數”代表了電子的一種內稟屬性，類似於它的電荷和質量一樣。

而且瞭解基本粒子的內稟角動量，是理解元素週期表，化學反應以及固態物理學的核心關鍵。

也正因爲如此，狄拉克曾說，在量子力學面前，化學已經不在是一門基礎科學，而是量子力學的“應用科學”，化學反應的一切變化過程都能在量子力學裡，找到最終的解釋。

總結

總的來說，基本粒子的自旋與物質的各種基礎性質都有莫大的關係，如果沒有自旋，也就意味着沒有電磁力與能量。你可以想象一下，我們的世界沒有電磁力與能量，會是什麼後果。